I
'4
Mikroniek nummer 3- 1991
70
Fotochemische metuulbewerkingen F.J.I.M. van Rongen De sectie Micro-techniek van de Faculteit der Werktuigbouwkunde en Maritieme techniek van de T.U. Delft heeft de beschikking over een laboratorium voor Micro-bewerkingen. in dit Iaboratorium is een uitgebreide faciliteit voor fotochemische metaalbewerkingen ondergebracht. De techniek van foto-etsen is bii uitstek geschikt om op snelle wijze fijnmechanischeconstructie-elementente vervaardigen uit dun plaatmateriaal. Ook structuren in opgedampte lagen en flexibel printmateriaal kunnen worden geëtst. Andere voordelen van het rx-ocesziin: Produkten kunnen wo;den vekaardigd die op conventionele wijze niet of nauwelijkste maken zijn. De gecompliceerdheid van het produkt is niet van invloed op de procesgang. Het is een spanningsvrije bewerkin . De vervaardigde Produkten heb en geen braam. Geen duur gereedschap i s nodig (stempelse.d.). De enige ontwerpbeperking bij het vervaardigen van geëtste Produkten is de smalste nog te etsen spleet en de smalste nog te etsen dam. Proefondervindelijk i s vastgesteld is dat voor de breedte van de smalste no te etsen spleet en dam, = 1,I x de paatdikte genomen kan worden; figuur 1 toont een aantal voorbeelden van geëtste produkten.
t
crometergebied van groot belang De Produkten die vervaardigd worden dienen ter ondersteuning van de onderzoeksprojecten en promotie-onderzoeken, soms gefinancierd uit de tweede of derde geldstroom. De wisselwerking tussen de kennis van fijnmechanische constructie-elementen en mogelijkheden die de foto-etstechniek biedt werkt bevruchtend naar beide zijden. Bijvoorbeeld op het gebied van het verjongd etsen (selectief in de plaatdikte etsen) en op het gebied van gatscharnier-constructies.Deze laatste twee onderwerpen zullen in een vol end artikel aan de orde komen. Dit arti el geeft in vogelvlucht het proces van fotochemische metaalbewerking weer zoals het bii de sectie Micro-techniek wordt toegepast.
K
Geschiedenisvan het etsen De etstechniek is eigenlijk al een heel ou-
a
de techniek. In de vroe e middeleeuwen werden, door edelsme en, de harnassen en zwaarden van de edelen al verfraaid door er monogrammen en teksten in te etsen Het te etsen voorwerp werd eerst voorzien van een waslaa Daarin werd het te etsen atroon ge rast met een scherpe n a a i 1 Het geheel werd ondergedompeld in salpeterzuur. Na het verwijderen van de waslaag bleef het geët-
g;
ste patroon over. Een ander voorbeeld uit het verleden is het vervaardi en van eetste clichés ten behoeve van e boekCJrukkunst.
B
Met de opkomst van de ruimtevaart en
de daaruit volgende miniaturisering is de rintfabricage ontwikkeld. De huidige oto-etstechniek is daar een deelont-
P
wikkelin van Het verschil tussen het vervaarigen van printplaten en de etstechniek zoals toegepast bij Micro-techniek is de grote verscheidenheid in de te etsen materialen. Ook de te etsen materiaaldikten lopen sterk uiteen, biivoorbeeld: in opgedampte lagen werkt men met dikten van = O,Ipm, in roestvaststaalfolie van 15 tot 200pm en verenstaal van 50 tot 800pm. Voor wat betreft de onnauwkeurigheid bevindt het proces zich tussen de printen I.C.-fabricage.
Schematische weergave van het proces Het proces kan opgesplitst worden in twee hoofdactiviteitendie later samenko-
7
Voor dit proces zijn beschikbaar: - een geconditioneerde stofarme ruimte (klasse 100); - een op temperatuur en vochtigheid geconditioneerdedoka; - een etsruimte. De faciliteit biedt ruimte aan het voor hoofdvakstudenten, verplichte practicum microbewerkingen. Het practicum duurt 25 halve dagen. Tijdens het practicum maken de studenten kennis met de techniek van het foto-etsen en de discipline die nodig is voor het werken in de stofarme ruimte. Daarnaast i s het leren omgaan met zeer nauwe toleranties en het vertrouwd raken met metingen in het mi-
----------t
Figuur 1. Voorbeelden van enkele geëtste produkten.
I 50nw
Mikroniek nummer 3- 1991
71 Fotochemische metaalbewerkingen
-
rafisch gereduceerd tot schaal 1 .1. Het flmformaat van deze plotter is 50Ox600mm De plotter wordt gebruikt P r e ~ ~ ~ ~ abii ~cornn lexe structuren zoals codeschiiven en ergelijke.
men in een derde. Deze zijn.
TT maskerfabricage
I
cp
Electron Beam Pattern Generator (EBPG) \ De EBPG electronenstraal atroongenerator is bestemd voor de abricage van maskerplaten ten behoeve van de IC-fabrica e. Het werkingsprincipe is nagenoeg etzelfde als dat van de fotoplotter.
P
1
l
etsen
Vervaardigen van maskers Om de benodigde maskers te vervaardi en kan de sectie Micro-techniek ge%ruikmaken van:
-
Een coördinatograph (handbediende snijtafel) - Een fotoplotter - Electron beam pattern generator
(EBPG) Coördinatograph Op de Coördinato raph worden de basismaskers vervaar igd in de zogenoemde stripcoatfolie. Dit materiaal bestaat uit een heldere pol esterdrager met daarop een rode afpel are laag. In deze rode laag worden de patronen gesneden die de informatie bevatten van het te verrodukt. Na het snijden worvaardjgen den die de en verwijderd die tijdens het etsproces worden geëtst De patronen in de pelfolie worden altijd vergroot esneden omdat kleine details dan goe te realiseren zijn; zie de figuren 2a en 2b. De mate van ver roting wordt bepaald door de gedetail eerdheid van het rodukt en is een veelvoud van 5 o IO maal. Deze coördinatograph wordt gebruikt voor eenvoudige structuren. In een later stadium worden deze structuren verkleind tot schaal 1 : I .
3
l
P
B
P
P
Fotoplotter De fotoplotter waarover kan worden beschikt is eigenlijk bedoeld voor de maskervervaardiging bij het etsen van printplaten. Het werkingsprincipe is te vergelijken met dat van een matrixprinter. Dit heeft tot consequentie dat cirkels en schuine lijnen opgebouwd worden uit kleine iijnstukken en dus een strakke contouren hebben. Indien B t hinderlijk en niet gewenst is, worden de structuren 5 of IO maal vergroot vervaardigd en dan foto-
Figuur 2. a: De handbediende coördinatograph.
b: Hei snik en pelgereedschap.
Mikroniek nummer 3- 1991
72
Figuur 3. De camera-opstelling waarbii twee vaste reductieskunnen worden ingesteld.
De haalbare nauwkeurigheid is extreem hoog. Dit wordt onder andere bereikt door verplaatsingen van de x-y tafel te relateren aan een laserinterferometer. De patronen worden vervaardigd op met chroom bedekte glasplaten. Dit apparaat wordt door ons alleen gebruikt indien de hoogste graad van precisie vereist is. Dat is het geval bi' het etsen van structuren in opgedampte agen, bijvoorbeeld bii de vervaardiging van capacitieve opnemers.
I
Reductiecamera De basismaskers zoals vervaardigd in de pelfolie of met behulp van de fotoplotter, worden langs foto rafische we tot de ware grootte van !et uiteindelite produkt verkleind. De in eigen beheer gebouwde camera heeft vaste reducties van 1:5 en 1 :I O, zie figuur 3. Dit maakt snel werken mogelijk omdat geen lange insteltijden nodig zijn. Deze 1:1 afbeeldingen worden tussenmaskers genoemd. Het effectieve formaat i s 1 1O x 90 mm.
Figuur 5. Een produktopgebouwd uit basispatronen.
Step and repeat camera Op het effectieve oppervlak van film- of plaatmateriaal i s vaak ruimte voor meer Produkten. Zo kunnen bijvoorbeeld verscheidene rijen en kolommen van produkten op een plaat worden geplaatst, zie fi uur 4. Ook kan het zijn dat het produ t zelf elementen bevat die meer dan eens voorkomen. in die gevallen wordt een step and repeat camera gebruikt. De afmetingenvan het plaatmateriaal worden be aald door de opnameetsmachine en is gecapaciteit van standaardiseerd op 240 x 100 mm. in bijzondere gevallen kan er van worden af eweken. In ien in een produkt herhalende patronen aanwezi zijn is het niet nodig dat het tussenmas er alle informatie van dat produkt bevat, maar kan het produkt worden opgebouwd uit een aantal basis atronen. Bij het vervaardigen van het asismasker worden dan op een bekende onderlinge afstand alleen die patronen gegenereerd, die de basiselementen bevatten van dat produkt. Met de in eigen beheer gebouwde step and
1
Cpe
i
1
1:
Figuur4. Rijen en kolommenvan Produkten.
repeat camera is het mogelijk deze patronen aan elkaar te fotograferen totdat het complete produkt ontstaat. Met deze werkwijze is het ook mogelijk rodukten te vervaardigen met grotere a metingen, tot 240 mm, dan de effectieve afmetingen van het tussenmasker, zie figuur 5. Een bijkomstig voordeel hierbii i s dat de onnauwkeurigheid die ontstaat door lensfouten wordt verkleind, omdat de basiselementen van het produkt dichtbij de optische as van het objectief geplaatst kunnen worden Bij het aaneen fotograferen wordt de onnauwkeurigheid van het produkt bepaald door het mechanischedeel van de
P
Mikronieknummer 3- 1991 %
73 Fotochemische metaalbewerkingen step and repeat camera. Dat deel bestaat uit een kruisslede, aangedreven door sta enmotoren Deze heeft een gemiddePde afwijking van 2 2 p n over 200 mm. De onnauwkeurigheid wordt regelmatig gecontroleerd met behulp van een laserinterferometer.
ULTRA VIOLET LICHT
hier ontstane onnauwkeurigheid rechtstreeks is teru te vinden in het eindprodukt. Meesta is de nauwkeurigheid die gehaald wordt met de gebruikte registerons voldoende. De maskers worden met Eehulp van dubbelklevend plakband met daartussen een strook metaal van de te etsen dikte aan elkaar geplakt.
Y
WERKS^
Maskerset Prepareren van het materiaal
wordt het plaatma-
Naast het nauwkeurig fabriceren van de fotomaskers is de kwaliteit van het reinigen en het bedekken van het plaatmateriaal met resist bepalend voor succes van het etsproces. Figuur 6 geeft het verloop van het proces weer. Eerst wordt het uitgan smateriaal, meestal metalen plaat, be ekt met resist. Via de eerder beschreven maskers wordt de resist belicht met ultraviolet licht. Onder invloed daarvan pol meriseert de resist. Tiidens het ontwi kelen van de resist blijven de belichte delen op
&?
gebruik gemaakt van paspennen (re ister- nokken) en een pons. Het is v a n t e lang dat de beide maskers van de maskerset nauwkeurig ten opzichte van elkaar gepositioneerd worden omdat de
NEGATIEF WERKEND PROCES
Figuur 6. Het belichten en ontwikkelen van de resist.
-_ Figuur i .S.E.M.-opnames van: a: ûefosfaieerdeplaat met ontwikkelde resistlaag.
b: De strakke conbur van de resist na het poliisten (resistdikte= 5 pm).
1:
Mikroniek nummer 3- 1991
-
74
het plaatmateriaal achter; de niet belichte delen worden opgelost en weggespoeld. Dit geldt voor negatieve resist. Bii positieve resist blijven de niet belichte delen achter. Op de plaatsen waar de resist i s achtergebleven, wordt het materiaal beschermd te en het etsmiddel. Niet zorgvuldig ehandeld materiaal geeft een slechte resisthechting. Daardoor kunnen rafelige contouren ontstaan en kan er meer onderetsing optreden. Elk materiaal vraagt een eigen aangepaste voorbereiding. Het onderstaand schema eeft bii wijze van een voorbeeld aan foe het prepareren van het veel gebruikte verenstaal plaatsvindt.
-
voorbakken resist bij 90"C, maximaal 30 min, - afkoelen, - via maskerset belichten met ultraviolet licht, - ontwikkelen = 2 min,
E
- Het materiaal op de ewenste afmetingen knippen, meesta 1O0 x 240 mm, - ontbramen, - voorreinigen in chlorothene, - ultrasoon, alkalisch ontvetten bij =
7
50"c, - spoelen met water, - een onderdompeling in fosforzuur 76"C, gedurende = 20 sec, - spoelen met water, - s oelen met demi water, - loogblazen met schone perslucht, - 5 à 1O min verwarmen bij 1 1O'C, - afkoelen.
bij
Aanbrengen van de resist Bij het aanbrengen van de resist wordt ebruik gemaakt van een dompelinstalPatie. Het materiaal wordt in de resist gedompeld en er met een gecontroleerde snelheid weer uitgehesen. De hi'ssnelheid en de viscositeit van de resist epalen de resistdikte. Belangrijk is dat de viscositeit constant blijft. Daarom is de in eigen beheer gebouwde dompelinstallatie voorzien van een ingebouwde viscositeitsmeter. Met behulp van dit, eveneens in ei en beheer ontwikkelde, instrument wor t de resistviscositeit continue gemeten Dit is nodig omdat de resist voor een groot deel uit vluchtige bestanddelen bestaat. Zo nodig wordt de viscositeit van de resist op de gewenste waarde gebracht. Bii verenstaal wordt een zeer goede hechting van de resist verkregen door de warme fosforzuurdip Het materiaal wordt licht aangetast waardoor een vergroot oppervlak ontstaat met een sponsachtige structuur waar de resist als het ware intrekt.
b
3
Onderstaand schema geeft de volgorde van bedekken en belichtenweer: - bedekken met resist door onderdompelen (dipcoaten), - uit laten druipen op viltpapier,
maximaal 30 min, - luchtig polijsten (korrelgrootte c 1pm ) van het patroon om de contourkwaliteit te verbeteren; tegelijkertijdworden eventuele procesresiduen verwijderd. Zie figuren 7a en 7b. De voordelen van de dompeltechniek zijn: - Het is goedkoop. - De beide zijden van het plaatmateriaal worden in een keer bedekt. - De resistdikte is op eenvoudige wijze te variëren door de hi'ssnelheid te veranderen (droge laag ikte van = 1 pm tot en met 7pm).
d
Een nadeel kan zi'n dat, zeker bij het aanbrengen van di kere resistlagen, de laag een verloop in dikte zal hebben; dit is inherent aan de manier van aanbren en. Door de o pervlaktespanning van e resist zal 00 aan de zijkanten van de plaat de resist dikker zijn. Door dit verschijnsel zal bij zéér nauwkeurig etswerk het effectieve oppervlak van de plaat kleiner zijn. De afmetingen worden dan = 90 x 200 mm in plaats van 1O0 x 240 mm, zie figuur 8. Bij het behandelen van het etsen zal duidelijk worden waarom Er wordt over het algemeen met positieve resist gewerkt Een groot voordeel van positieve resist is dat het minder gevoelig is voor staf. De reden daarvan is dat alleen de te etsen contouren in het masker transparant zijn. Het masker is dus overwegend zwart. Een ander bijkomstig voordeel i s dat de niet belichte delen van het te etsen produkt licht evoelig blijven en eventueel opnieuw elicht kunnen worden. Dit geeft bijzondere mogelijkheden bij het meer-fasen etsen
L
i
1:
Figuur 8. Interferentie lijnen geven een beeld van het wigvormige verloop van de dikte van de resistlaag.
RESIST
Etsproces Het etsproces berust op het selectief en gecontroleerd wegetsen van metalen. Een procesge even i s dat het materiaal niet alleen in e diepte etst maar ook onder de resist, zie figuur 9. Er kan zowel dubbel- als enkelzijdig geëtst worden. Om het onderetsen zoveel mogelijk te-
J
Figuur 9. Het effect van onderetsing bii enkel- en dubbelzijdigetsen.
75 Fotochemische metaalbewerkingen en te gaan, wordt aan beide zijden van e ! plaatst geëtst. Het proces verloopt dan ook twee maal zo snel. Typerend voor het proces i s dat, net na het dooretsen van het metaal vanuit beide zijden, een dwarsdoorsnede van het werkstuk ontstaat die het meest lijkt op een acccoladevorm. Deze accoladevorm is niet geschikt als grensvlak voor een Produkt. Nu bliikt echter dat als het werkstuk langer eëtst wordt, deze vorm in de tiid geleidefik verdwiint en er rechte flanken ontstaan, zie figuren 100 en
Figuur lob.
Figuiur 100. Dwarsdoorsneden van heit veirloop van het dubbelzijdig etsen in verenstaal vanI 200 Pm :de masker-lijnbreedtebedroeg 100 Lm.
1Ob Ondertussen neemt wel de onderetsing toe. De onderetsing wordt onder andere beinvloed door de dichtheid van het etsmiddel. Een hogere dichtheid geeft minder onderetsing. Dit aat gepaard met een la ere etssnelheid: Ook kan gebruik gemaa t worden van een chemische voorbehandeling van het metaal met fosforzuur. Onder invloed van de chemische inwerking ontstaat aan het oppervlak een dun metaallaagje met een grotere resistentie tegen het etsmiddel.
f
De accolade-vom die in eerste instantie ontstaat, verdwijnt na enige tijd dooretsen.
Figuur 11. De bij de sectie Micro-techniek vervaardigde werkstukhouder die het werkstuk transleert en roteert tijdens het etsen.
Mikroniek nummer 3- 1991 /
76
Bij het etsen van verenstaal en andere staallegeringen wordt eëtst in een ferrichloride (FeCL ) opossing met een dichtheid tussen j e 1,4 en 1,5g/cm3 bij een temperatuur tussen 40 en 50°C. De etssnelheid voor verenstaal bedraagt dan = 30 pm per minuut. Door de onderetsing zijn de afmetin en van de geëtste patronen niet meer dijk aan de patronen zoals vast eleg in het masker. Om het produkt te aten voldoen aan de oede maatspecificaties moet de invloe van de onderetsing al bij de vervaardiging van het basismasker worden gecompenseerd. De onderetsing moet per materiaalsoort dus vooraf bekend zijn. De etsmachines die speciaal voor dit etsproces zijn ontwikkeld maken gebruik van het sproei-etsprincipe De maat- en contour-nauwkeurigheid van Produkten wordt het meest beÏnvloed door de eleverde kwaliteit van het sproeibeeldgvan deze machines. De door Micro-techniek gebruikte machine bevat in de sproeikamer zowel boven als onder vijftien sproeikoppen. Door deze sproeikoppen tijdens het etsen te laten oscilleren en bovendien de werkstukhouder tussen deze sproeikoppen een lineaire en een roterende beweing te laten maken, wordt een zeer geijkmatig sproeibeeld verkregen. Figuur 1 1 toont de werkstukhouder. De gebruikte sproeidruk bedraagt = 1,4 bar.
P
P
3
dg
Metingen Voor het meten aan de eëtste produkten wordt gebruik gemaa t van een profielprojector. Deze profielprojector i s uit-, gerust met digitale uitlezing en voorzien van een opto-eye met een biibehorend computerprogramma, zie figuur 12. Dit maakt het automatisch verwerken van de meetgegevens mogelijk. Tijdens het etsproces wordt onder andere emeten met een s eermaat en een gat aliberplaat als re erentie. Ook worden zelfgemaakte penkalibersgebruikt.
9,
P
1
F I I M van Ronaen is verbonden aan de T U Deh.
-
